물질의 7가지 상태
자연에서 물질은 다양한 형태로 나타납니다. 그것들은 매우 다르며 극도로 일관성이 없습니다. 그러나 기본적인 구조적 특성에 따라 몇 가지 범주로 나눌 수 있으며 각 범주를 물질 상태라고 합니다. 예를 들어, 잘 알려진 세 가지 상태, 즉 고체, 액체, 기체가 있습니다. 현대 과학자들은 또한 물질이 플라즈마 상태, 중성자 상태(초고체 상태), 장, 반물질 등과 같은 다른 상태를 가지고 있다는 사실도 발견했습니다.
다양한 상태의 특징:
우리는 종종 만남 물질은 많은 분자로 구성되어 있습니다. 각 분자는 여러 개의 원자로 구성됩니다. 각 원자는 양전하를 띤 핵과 이를 둘러싸고 있는 여러 개의 음전하를 띤 전자로 구성됩니다. 핵은 여러 개의 양성자와 중성자로 구성됩니다. 전자가 음전하를 띠는 것처럼 양성자는 양전하를 띠게 됩니다. 중성자는 전하를 띠지 않습니다. 양성자와 중성자의 질량은 전자 질량의 약 1840배로 거의 같습니다. 전자, 양성자, 중성자는 모두 현재 인류에게 알려진 물질의 기본 단위이므로 '소립자'라고도 불린다. 지금까지 발견된 소립자는 이 세 가지 종류뿐 아니라 유온, 중간자, 하이퍼론 등이다. 지금까지 발견된 소립자의 종류는 300종이 넘는데, 질량이 아주 작은 것도 있고, 질량이 비교적 큰 것도 있고, 양전하를 띠는 것도 있고, 음전하를 띠는 것도 있고, 전하를 띠지 않는 것도 있습니다. 분자부터 소립자까지, 너무 작아서 육안으로 직접 볼 수 없기 때문에 총칭하여 미립자라고 합니다. 우리가 어떤 상태에서 흔히 볼 수 있는 물질은 이러한 입자들이 대량으로 축적되어 형성된 거시적인 물체이다. 서로 다른 상태는 실제로 이러한 미세한 입자의 서로 다른 집합체 형태일 뿐입니다. 고체, 액체, 기체는 분자나 원자를 기본 단위로 하는 세 가지 서로 다른 응집 상태입니다.
고체 상태
금속은 특정한 자연적인 형태를 갖고 있는 것처럼 보이지 않습니다. 그러나 그것들은 또한 결정체이기도 합니다. 실제로 큰 금속 조각은 많은 작은 알갱이로 구성되어 있기 때문입니다.
일부 고체는 비정질이며 내부 분자나 원자가 특정 엄격한 규칙에 따라 배열되지 않습니다. 석영 결정을 녹인 후 냉각하여 형성된 고체를 석영 유리라고 하며, 이는 비정질 유리의 일종입니다. 일반 유리도 비정질입니다. 이러한 비정질 결정 내부에는 원자 배열이 완전히 불규칙하지 않습니다. 넓은 지역에는 규칙성이 없습니다. 그러나 각 원자에 대해 이웃 원자의 배열은 여전히 규칙적입니다. 예를 들어, 석영 유리에서 실리콘 원자의 가장 가까운 이웃은 항상 4개의 산소 원자이고, 산소 원자의 가장 가까운 이웃은 항상 2개의 실리콘 원자입니다. 넓은 범위에 걸친 분자나 원자의 규칙적인 배열을 장거리 정렬이라고 합니다. 단결정은 원격으로 주문된 고체입니다. 각 원자의 바로 근처에만 존재하는 규칙적인 배열을 단거리 질서라고 합니다. 유리는 단거리 정렬 고체입니다.
최근 몇 년 동안 많은 연구가 진행되어 왔으며 고분자의 결정 상태와 고체 물질(즉, 동일한 분자 내에 많은 원자가 있음)과 고체 물질(예: 폴리에틸렌, 나일론, 플렉시글라스 등)이 널리 사용되었습니다. 비정질 상태는 더욱 복잡한 상황을 나타냅니다. 이러한 물질의 각 분자는 많은 분자로 구성된 긴 사슬이며, 이들로 구성된 고체는 종종 무정형 상태의 기기에서 지저분하게 꼬인 와이어의 엉망입니다. 일부 특별한 가공을 거친 후에는 이 긴 사슬이 깔끔하게 배열되어 술 같은 미세 다발을 형성하고 결정을 형성할 수도 있습니다. 때로는 긴 사슬이 특정 규칙에 따라 접혀서 커다란 박편형 중합체 결정을 형성하기도 합니다. 자연에서 대부분의 고체는 결정입니다. 전체 암석-광물계(몇 가지 예외 제외), 금속, 대부분의 무기 및 유기 화합물(위에 언급한 고분자 화합물 포함)은 결정입니다. 심지어 식물 섬유도 결정체입니다.
액체 상태
액체 상태의 외형적인 특징은 일정한 부피를 갖는다는 점에서 고체와 다르지만 더 이상 고정적이고 규칙적인 배열이 아니라는 점이다. 그 유동성. 결정과 비교하여 액체 분자는 장거리 질서를 잃습니다. 그러나 실험을 통해 액체 내에서는 단거리 질서가 유지된다는 것이 입증되었습니다. 이러한 관점에서 볼 때 액체와 비정질 고체는 액체의 각각의 작고 규칙적인 영역이 서로 상대적으로 이동할 수 있다는 점을 제외하면 동일한 구조를 갖습니다. 이런 의미에서 비정질 고체는 엄밀한 의미의 고체가 아니라, 단지 너무 걸쭉하거나 너무 차가운 액체일 뿐입니다.
액체 속 분자의 배열 정도는 유체 분자의 종류에 따라 다릅니다.
최근 많은 연구가 진행되어 널리 사용되고 있는 액정상태를 액정이라 부르며, 질서가 높은 액체를 말한다. 유동성을 제외하면 여러 면에서 크리스탈과 유사합니다.
현재 알려진 액정은 스멕틱 액정이다. 그 분자는 막대 모양이고 막대는 층별로 배열되어 있지만 각 층의 분자 배열은 혼란스럽기는 하지만 층은 비교적 안정적으로 유지됩니다. 이 액정의 유동성은 단지 층 사이를 미끄러져 가는 것일 뿐이고, 이 층에 있는 분자의 순서는 상당히 높습니다. 덜 정렬된 것은 바깥쪽을 향한 액정입니다. 그의 막대 모양 분자는 같은 방향으로 배열되어 있지만 더 이상 층을 이루고 있지 않습니다. 일부 전자계산기나 전자시계의 디지털 디스플레이는 이러한 종류의 액정을 사용합니다. 또한, 분자가 층으로 배열되어 있는 일종의 액정도 있습니다. 각 층의 분자의 장축은 층별로 한 방향으로 작은 각도로 회전합니다. 마치 동판을 아래에서 위로 하나씩 각도를 돌려가며 쌓아놓은 것과 같습니다. 이런 종류의 액정을 담낭형 액정이라고 합니다.
기체 상태
기체 상태와 액체 상태의 차이점은 이러한 분자의 집합 상태에서는 짧은 범위의 질서조차 존재하지 않는다는 점입니다. 기체 분자 사이의 거리는 고체 또는 액체 분자 사이의 거리보다 훨씬 큽니다. 기체 분자 사이의 상대적인 위치는 전혀 고정되지 않고 완전히 혼란스러운 상태가 됩니다.
플라즈마 상태
액체를 가열하여 온도를 높이면 액체가 기체로 전환될 수 있습니다. 가스를 재가열하여 온도가 다시 상승하면 역류의 결과는 어떻게 될까요? 일반적인 가스에서 물질의 가장 작은 단위는 분자입니다. 가스의 온도가 증가하면 분자의 속도가 증가합니다. 이로 인해 두 분자가 충돌할 때 개별 원자로 부서집니다. 원자의 기본 단위로 구성된 이러한 종류의 가스를 원자 가스라고합니다.
원자 가스의 온도가 더 높아질수록 원자 이동 속도도 빨라집니다. 마지막으로 두 원자가 충돌할 때 "깨지는" 지점까지 증가할 수 있습니다. 이때 원자 속의 전자 하나 또는 여러 개가 녹아웃되어 공간에서 자유롭게 이동합니다. 이러한 전자를 자유전자라고 합니다. 전자가 없는 나머지 원자는 양전하를 띠고 있으며 이를 양이온이라고 합니다. (온도가 너무 높으면 원자의 전자가 모두 끊어지고 핵만 남게 됩니다.) 중성 원자가 여러 개의 전자와 양이온으로 분해되는 과정을 이온화라고 합니다. 수천 도의 온도에서 가스의 거의 모든 원자는 양이온과 전자로 이온화됩니다. 양이온과 전자로 구성된 이 물체를 고속으로 이동하는 것을 플라즈마라고 합니다. 그의 가스 구조는 상당히 다릅니다. 이러한 물질 상태를 플라즈마 상태라고 하며, 일반적으로 물질의 제4상태라고도 합니다.
고온에서 분자의 충돌로 인한 분자의 이온화 외에도 가스 방전(공기 중 번개 등)도 이온화를 일으킬 수 있습니다. 가스에 방사선(예: 자외선, X선, Y선)이 조사되면 해당 원자도 이온화될 수 있습니다.
플라즈마 속 이온은 전하를 띠고 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 전도성이 크다. 또한, 온도가 높고 유동성이 높기 때문에 용도가 다양합니다. 금속을 절단하기 위해 플라즈마 빔을 사용하는 것은 일반적인 이온입니다. 매우 미세한 플라즈마 빔은 수술을 수행하는 메스로도 사용될 수 있습니다. 최근에는 자성유체 발전의 작동재료로 플라즈마가 사용되고 있다. 제어된 열핵반응에서 플라즈마는 극도로 높은 온도를 얻기 위해 사용되기도 합니다. 어떤 사람들은 우주선에 동력을 공급하기 위해 플라즈마를 제트 엔진으로 사용하는 것을 상상하기도 합니다. 이러한 종류의 엔진은 현재의 로켓 엔진보다 훨씬 더 큰 추력을 갖습니다.
지상에서 플라즈마를 얻기 위해서는 매우 복잡한 장치가 필요하다. 자연적으로 발생하는 플라즈마는 없습니다. 그러나 지구 밖의 태양과 별은 뜨겁고 거의 완전히 이온화된 물질입니다(예를 들어 태양의 표면 온도는 6,000도이고 중심 온도는 2천만도입니다). 성간 가스도 별의 방사선으로 인해 이온화되므로 플라즈마이기도 합니다. 그러므로 우주의 물질 대부분은 양성자와 전자이므로 플라즈마 상태라고도 할 수 있다. 이 두꺼운 대기층을 전리층이라고 합니다. 그는 지구 표면의 무선 통신에서 매우 중요한 역할을 합니다.
지구상에서 우리가 접촉하고 연구할 수 있는 이온 집합 상태는 위의 4가지 상태에 포함될 수 있다.
지구 너머에는 우주가 무한하고, 물질의 상태도 여러 가지가 있다.
중성자 상태
지구 외부에는 위에서 언급한 여러 물질 상태 외에도 중성자라는 또 다른 입자 집합 상태가 있다는 사실도 발견되었습니다. 상태. 초고체 상태라고도 합니다. 중성자별이라고 불리는 중성자 상태의 물질로 만들어진 별의 종류가 있습니다.
우주에는 수많은 별들이 있습니다. 각 별은 태양이며 매우 뜨겁고 스스로 빛을 방출할 수 있습니다. 빛나는 에너지는 어디에서 오는가? 이제 그 에너지가 극도로 높은 온도에서 별의 입자에 의해 수행되는 원자핵의 열핵 반응에 의해 발생한다는 것을 증명할 충분한 증거가 있습니다. 반응이 진행되는 동안 고온 플라즈마의 가스 압력과 방출된 빛의 복사 압력이 외부로 향하게 되어 별이 팽창하고 소멸하게 됩니다. 그러나 별 내부 물질의 중력이 외부 물질에 미치는 영향은 엄청납니다. 내부 압력으로 인해 별의 크기가 줄어들게 됩니다. 별이 어느 정도 안정적인 부피를 유지하는 것은 바로 이 두 반대 압력 사이의 균형 때문입니다. 이것은 현재 우리 태양의 경우입니다.
그러나 별의 원자핵은 무한정 지속될 수 없으며 '핵연료'도 '소진'됩니다. 핵연료가 연소됨에 따라 별이 방출하는 에너지는 점점 줄어들고, 외부로 방출되는 복사 에너지는 점점 작아지게 됩니다. 따라서 중력에 의해 생성되는 내부 복사 에너지는 점점 더 커집니다. 이 압력의 압축 효과로 인해 별의 입자는 점점 더 촘촘하게 압축됩니다. 핵반응이 유지되지 않으면 압력이 어느 정도 증가하여 원래 플라즈마에 결합되어 있던 전자가 완전히 압착됩니다. 핵과 그 안에 있는 전자는 완전히 압착되어 중성자를 형성합니다. 이런 식으로 플라즈마는 더 이상 존재하지 않으며 모두 중성자가 됩니다. 이때의 별은 노년기에 이르렀는데, 이것이 이른바 중성자별이다. 비정상적으로 큰 압력(태양 중심의 압력보다 훨씬 높음...10억 기압!) 하에서 완전히 중성자로 구성된 이러한 종류의 물질을 중성자 상태라고 합니다. 이론적 계산에 따르면 중성자별의 질량은 태양과 비슷하지만 직경은 수십 킬로미터에 불과하고 밀도는 10^15 g/cm^3 = 10^9 톤/cm^3에 달할 수 있습니다. . 콩 크기의 중성자 상태 물질의 질량은 수천만 톤에 달할 수 있습니다!
중성자별은 밀도가 매우 높을 뿐만 아니라 엄격한 주기에 따라 전자파, 특히 X선을 방출할 수 있다는 특성도 가지고 있습니다. 이러한 주기적인 방사선 때문에 중성자별은 펄서라고도 불립니다. 1967년에 발견된 최초의 펄서의 방출 주기는 1.3373초였습니다. 그 주기의 안정성은 타이밍의 표준으로 사용될 수 있습니다. 1975년 현재까지 147개의 중성자별이 확인되었습니다.
중성자 상태가 가장 밀도가 높은 물질로 간주되나요? 아직은 그렇게 말할 수 없습니다. 천문학 연구에서는 별이 중성자 상태에 도달하면 잠시 동안 수축하다가 마침내 극도로 밀도가 높아져 일단 떨어지면 어떤 물질도 튀어나올 수 없을 정도로 강한 중력을 갖게 된다고 지적합니다. 그것이 방출하는 빛조차도 더 이상 외부로 퍼질 수 없습니다. 완전히 어두워졌습니다. 이러한 "죽은" 별을 "블랙홀"이라고 합니다.
장
반세기가 넘도록 과학은 위에서 언급한 입자 응집 상태 외에도 장이 물질적 존재의 한 형태라고 판단해 왔습니다.
필드란 무엇인가요? 여러분은 아마도 전기장과 자기장에 대해 알고 있을 것입니다. 전하 주위에는 전기장이 있고, 움직이는 전하 주위에는 자기장이 있습니다. 장이 일종의 물질이라는 것을 인식하는 것은 움직이는 전기장과 자기장에 대한 사람들의 인식과 밀접한 관련이 있습니다. 라디오 방송과 TV 방송은 송신국을 사용하여 안테나에서 주변 지역으로 전기장과 자기장을 확산시킵니다. 이것이 전자기파이고, 전자기파는 장(field)의 한 형태이다. 빛도 전자기파이다. 빛과 전자기파를 합쳐서 전자기장이라고 합니다. 장에는 질량, 에너지, 운동량이 있습니다. 이 점에서는 우리가 일반적으로 알고 있는 입자로 이루어진 물질과 동일하다. 우리의 라디오와 텔레비전이 라디오나 텔레비전을 수신할 수 있는 이유는 실제로 라디오나 텔레비전 방송국에서 전송되는 전자기장의 에너지를 반영하기 때문입니다.
장은 입자처럼 작은 영역에 질량이나 에너지가 집중되어 있지도 않고, 입자처럼 개별적으로 셀 수 있는 능력도 없습니다. 길이는 항상 더 큰 공간에 퍼져 있습니다. 예를 들어, 전하는 전기장으로 둘러싸여 있습니다. 라디오 방송국이 작동 중일 때 전자기장은 주변 곳곳에 존재합니다. 반면에 장의 운동은 입자처럼 일정한 궤도를 갖지 않습니다. 필드의 움직임은 항상 파동의 형태를 취합니다.
이것이 움직이는 전자기장을 전자기파라고도 부르는 이유입니다.
전자기장 외에 원자핵에도 양성자와 중성자 사이에 장(field)이 있는데, 이는 전자기장과는 다르며 핵장(nuclear field) 또는 중간자장(meson field)이라고 부른다. 또한 필드 형태의 물질이기도합니다. 중력장도 일종의 장인데, 이제 사람들도 일종의 물질이라고 생각합니다. 우주에는 별의 빛이 사방으로 퍼져나가고, 별 사이에는 중력효과가 있고, 별의 원자핵에도 전계효과가 있다고 상상할 수 있다면 우주 전체에 있다는 것을 알 수 있다. , 그러한 분야 물질 상태도 매우 일반적이며 어디에나 존재합니다.
장과 입자에는 차이가 있지만, 과학이 발달하면서 이 차이는 점차 사라져 갑니다. 금세기 초에 장에는 입자의 특성이 있다는 것이 발견되었습니다. 예를 들어, 빛의 경우, 그것이 생성하는 광전 효과는 광파의 입자 특성으로만 설명할 수 있습니다. 그러므로 빛은 입자로 구성되어 있다고 말할 수 있다. 이 입자를 광자라고 합니다. 다양한 전자기파는 해당 광자로 구성됩니다. 전하 사이의 전기적 또는 자기적 효과는 광자를 중간 매체로 사용하여 실현됩니다. 마찬가지로, 핵장에 상응하는 중간자(meson)라는 일종의 입자가 있다는 것이 증명되었습니다. 양성자와 중성자 사이의 상호 작용은 중간자를 매개체로 통해 이루어집니다.
장에는 입자의 성질이 있을 뿐만 아니라, 1920년대에는 입자에도 파동의 성질이 있다는 것이 증명되었습니다. 특히 원자 내에서 전자, 양성자, 중성자의 움직임 역시 파동 특성을 분명히 나타냅니다. 그러므로 보다 일반적인 의미에서 입자는 장(field)이기도 합니다.
필드에는 입자 속성이 있고 입자에는 필드 속성이 있습니다. 이 두 가지 물질의 형태를 요약하면, 자연물질은 입자성과 장성질(또는 파동성질)을 모두 갖고 있다는 것이 물질의 파동-입자 현상에 대한 설명이다.
장과 물질 입자의 상호 연결은 서로 변환되는 능력에도 반영됩니다. y선 빔(또는 y광자)은 특정 조건에서 두 개의 입자로 바뀔 수 있습니다. 하나는 음으로 하전된 전자이고 다른 하나는 전자와 동일한 질량을 가진 양으로 하전된 양전자입니다. 이 과정을 전자쌍 생성이라고 합니다. 반대로 전자와 양전자가 만나면 둘 다 사라지고 y 광자가 됩니다. 양극과 음극 전자가 만나서 사라지는 이러한 과정을 전자쌍 소멸이라고 합니다.
파동-입자 이중성과 장과 입자의 상호 변형은 객관적인 물질 세계의 통일성을 반영합니다. 이는 현대 자연과학의 주요 성과 중 하나이다.
반물질
자연에는 음전하를 띤 전자 외에 일종의 양전자도 있는데, 이는 다른 면에서는 전자와 같고 전하량도 같다 전자의 것까지. 전자의 경우, 이 양전자를 반입자라고 합니다. 그 존재가 처음으로 이론적으로 지적된 것은 1920년대였다. 1932년에 실험실에서 공식적으로 발견되었습니다. 가장 흔한 것은 전자쌍으로 발생하는 양전자입니다. 많은 핵반응에서는 생성물로 나타나는 경우가 많습니다.
이후 연구에서 사람들은 이론적으로 반양성자와 반중성자의 존재를 지적했습니다. 반양성자와 양성자의 유일한 차이점은 음전하를 띠는 전하의 부호입니다. 중성자와 마찬가지로 반중성자는 충전되지 않습니다. 차이점은 자기적 특성에 있습니다. 중성자는 자성을 띠고 끊임없이 회전합니다. 중성자의 회전축 방향은 작은 자석의 N극 방향과 반대이지만, 반중성자의 방향은 같습니다. 1955년에 실험실에서 반양성자와 반중성자가 발견되었습니다. 그것들은 모두 고속 양성자가 다른 양성자와 충돌할 때 생성됩니다.
이제 소립자에 대한 연구를 통해 300종 이상의 소립자가 발견되었으며, 모두 양성입자와 음성입자의 쌍으로 존재한다는 것이 입증되었습니다. 우리는 물질이 전자, 양성자, 중성자 등으로 구성되어 있다고 생각했기 때문에 이러한 반입자를 총칭하여 반물질이라고 부릅니다. 일부 입자는 긍정적이거나 부정적인 구별 없이 한 가지 형태로만 존재한다는 점을 지적해야 합니다. 즉, 그러한 입자 자체가 그 자체의 반입자입니다. 광자는 그러한 입자이고, 중성 파이온도 그러한 입자이다.
일반적인 수소 원자는 양성자를 둘러싼 전자로 구성됩니다. 또한 핵이 다수의 양전자로 둘러싸여 있고 반양성자와 반중성자로 구성되어 있는 더 복잡한 반원자를 상상하는 것도 가능합니다.
반원자에서 각 반입자의 운동은 물질 원자의 우주 입자와 정확히 동일합니다. 그들은 동일한 에너지를 가지므로 그들이 방출하는 빛은 해당 물질 원자가 방출하는 빛과 정확히 동일합니다.
지구에는 천연 반입자와 반물질이 존재하지 않습니다. 핵반응에서 생성된 반입자는 상응하는 다수의 일반 입자로 둘러싸여 있으므로 생성 직후 해당 일반 입자와 결합하여 소멸되며 동시에 감마 광자를 방출합니다. 하지만 이것이 지구 너머 우주에 반물질이 자연적인 형태로 존재할 수 없다는 뜻은 아니다. 물론 물질과 반물질이 같은 별에 존재할 수는 없다. 왜냐하면 둘은 함께 모이면 소멸되기 때문이다. 사람들이 반물질 별이 존재한다고 상상하는 또 다른 '이유'가 있는데, 바로 자연의 대칭성이다.